钛合金微观组织结构与保载疲劳性能间的关联关系研究

The correlations between dwell fatigue properties and microstructures of titanium alloys is an urgent and fundamental scientific problem in aero-engine blades manufacturing. The presented project focuses on the mechanistic basis of dwell fatigue under complex in-service loading conditions with respect to different microstructures including average grain sizes, α/β variants and the distribution of macrozones etc. The effects of multiaxial stress states, external loading ramp velocity and the in-service temperatures on the dwell fatigue life are discussed. A novel multiscale model is developed based on the dislocation thermally activated escape from obstacles, aiming to accurately predict the dwell fatigue responses in titanium alloys. The load shedding within the ‘rogue’ grain combinations of different morphology is quantitatively studied, from which the correlations between dwell fatigue properties and microstructures are systematically analysed. New microstructures for resisting dwell fatigue of titanium alloys is designed and its dwell fatigue responses are assessed using the experimentally-validated multiscale model. Furthermore, the new microstructure can be improved if the analytical fatigue life is not ideal. The scientific out of the presented project will contribute significantly to the manufacturing of high performance aero-engine titanium blades and enrich the theoretical basis of the field.

钛合金微观组织结构与保载疲劳性能间的关联关系是高性能航空发动机叶片制造领域迫切需要解决的关键基础科学问题。本项目从钛合金晶粒尺寸、两相变体数量、宏区分布规律等微观组织结构特点出发，研究复杂服役环境下保载疲劳微观变形机理，揭示多向应力状态、载荷加载速率和服役温度对保载疲劳寿命的影响规律；以实现准确预测保载疲劳响应为目标，建立基于位错通过钉扎障碍机制的多尺度模型，研究不同微观组织结构中特征晶粒间载荷转移规律，分析确定微观组织结构与保载疲劳性能间的关联关系；探索设计新型抗保载疲劳钛合金微观组织结构并对其进行保载疲劳性能评估，通过多尺度建模分析对新型微观组织进行优化。研究结果对高性能航空发动机钛合金叶片的制造理论与技术具有重要意义。

钛合金微观组织结构与保载疲劳性能间的关联关系是高性能航空发动机叶片制造领域迫切需要解决的关键基础科学问题，然而由于发动机叶片服役环境苛刻、钛合金组织结构多样、保载疲劳变形机理复杂等原因，时至今日，保载疲劳失效问题尚未完全解决，仍然是制约航空发动机钛合金构件服役寿命的主要原因。为此，本项目采用理论分析、实验研究和建模仿真结合的方法，系统研究了IMI834钛合金组织结构、服役环境与保载疲劳性能的关联关系。设计制备了等轴、魏氏、双态和三态四种不同微观组织，量化分析了不同温度下各组织结构的力学性能；建立了可准确预测复杂环境下钛合金保载疲劳响应的晶体塑性-位错动力学多尺度预测模型，探明了组织结构和服役条件对保载疲劳响应的影响规律，揭示了应变速率不对称性和微观组织结构类型对疲劳响应的作用机制。在此基础上，对比了不同温度下钛合金的保载疲劳性能，探明了不同微观组织结构的热缓和效应，研究确定了不同α变体对晶粒间载荷转移的影响规律，发展了抗保载疲劳微观组织结构设计方法。研究结果对高性能航空发动机钛合金叶片的制造理论与技术具有重要意义。.本项目研究成果在塑性力学领域著名期刊IJP、IJMS等发表论文11篇，SCI收录10篇；申请发明专利3项，授权软件著作权1项；获2021年中国能源研究会能源创新奖二等奖（项目负责人排2）。在本项目的支持下，项目负责人入选2019年人社部“香江学者”计划。